Recently, all-polymer solar cells (all-PSCs) have been in the spotlight for their stretchable and extendable potential to wearable electronics. For practical applications, not only high efficiency but also mechanical robustness of the device is considered as important factors. From this point of view, a technical strategy incorporating a flexible conjugation-break spacer (FCBS) has been reported to achieve mechanically robust and high efficient all-PSCs. The incorporation of FCBS increases both the mechanical properties and photovoltaic performances of all-PSCs by effectively controlling the crystallinity and pre-aggregation of the polymer acceptors ($P_A$s), and achieving an optimal blend morphology with polymer donor. In this study, we report the optimal alkyl linker length point at the $P_A$s. The all-PSC based on PYTS-C2 as a $P_A$ and a polymer donor (PBDB-T) shows a high power conversion efficiency (PCE) of 11.37%, superior mechanical stretchability with a crack onset strain (COS) of 12.39% and toughness of 2.09 $MJ$ $m^{-3}$, which is significantly improved compared to those of devices with the $P_A$s without FCBS (PYT-C0 : PCE = 5.15% and COS = 2.75%) or with the longer length of FCBS (PYTS-C4 : PCE = 3.28%, COS = 0.68%, PYTS-C8 : PCE = 3.17% and COS = 0.45%). These results demonstrate that the incorporation of the proper length of FCBS into the conjugated backbone is highly feasible approach to simultaneously enhance the PCE and stretchability of all-PSCs.
최근, 전고분자 태양전지 시스템은 높은 신축성을 바탕으로 웨어러블 전자 장치로의 확장 가능성에 대해 주목받고 있다. 위와 같은 장비에 실제 적용을 위해서는 고효율뿐만 아니라 장치의 기계적 안정성도 중요한 요소로 고려된다. 이러한 관점에서 FCBS (Flexible Conjugation-Break Spacer)를 기존의 고분자 구조에 첨가하는 전략이 기계적 안정성과 고효율을 동시에 가지는 전고분자 시스템을 개발하는 것에 대해 많이 이용되어 왔다. FCBS의 첨가는 고분자 전자 받개의 결정도와 사전 응집을 효과적으로 제어하고 고분자 전자 주개와의 혼합 형태를 조절함으로써 전고분자 태양전지의 기계적 특성과 광전지 성능을 모두 증가시킨다. 본 연구에서 고분자 전자 받개에서 최적의 선형 알킬 사슬의 길이가 있다는 것을 확인하였다. PYTS-C2 고분자 전자 받개와 PBDB-T 전자 주개를 기반으로 하는 전고분자 태양전지는 11.37%의 높은 전력 변환 효율 (PCE), 12.39%의 우수한 균열 시작 변형률 (COS) 및 2.09 $MJ$ $m^{-3}$의 강한 인성을 보였다. 이는 FCBS가 없는 고분자 전자 주개 (PYT-C0: PCE = 5.15% 및 COS = 2.75%) 또는 더 긴 길이의 FCBS (PYTS-C4: PCE = 3.28%, COS = 0.68%, PYTS-C8: PCE = 3.17% 및 COS = 0.45%) 가 있는 고분자 전자 주개에 비해 확연히 높은 성질들을 보였다. 따라서 적절한 길이의 FCBS를 기존 전자 받개 구조에 첨가하는 것이 전고분자 태양전지의 전기적 성질과 기계적 성질을 동시에 향상시키는 효과적인 접근 법이 될 수 있다.
